19世纪末，物理学“三大发现”（X射线、放射性、电子）和“两朵乌云”（以太漂移零结果，黑体辐射紫外灾难）等一系列新的实验的结果，对以牛顿力学为基础的经典物理学提出了挑战，带来了现代物理学革命，直接导致了相对论和量子力学的诞生。
1905年爱因斯坦在德国《物理学年鉴》上发表了五篇论文，刊于第17卷第891—921页的《论动体的电动力学》一文中，提出了举世闻名的相对论。论文以同时性的相对性为突破口，建立了全新的时间和空间理论。
同时性的相对性表明，对于静止观察者是同时的两个事件，对于运动观察者就不是同时的。设AB两地各发生了一次闪光的事件，在AB中点C处的观察者，根据AB两地光信号同时到达，从而推测两个事件是同时发生的。但一个由A向B运动的观察者，也在中点C，却发现B点的光信号先于A点到达，从而推测B点闪光先于A点，两个事件不是同时发生的。
就是说，同时性不是绝对的，而是取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学绝对时间和绝对空间的基础框架，带来了物理学革命。
1905年6月，爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》一文，宣告狭义相对论的诞生。狭义相对论的基本观点是：空间和时间并不是互不相干的，而是存在着本质的联系；时间和空间都同物质的运动变化有关，并随物质运动的速度变化而变化；对于不同的惯性系，时间与空间的量度不可能是相同的。后来爱因斯坦又把相对性原理推广到非惯性系，在1916年发表了《广义相对论的基础》一文。爱因斯坦突破了牛顿的绝对时空观念的束缚，揭示了时间、空间、物质和运动之间本质上的统一性，并把牛顿理论作为新理论的特殊情况包括在其中。爱因斯坦相对论是继牛顿理论、能量转化与守恒定律、麦克斯韦电磁理论之后物理学的第四次理论大综合。
1900年，德国物理学家普朗克提出能量子假设，指出能量不是连续的而是分立的、量子化的，标志着20世纪物理学又一崭新思想的诞生。循着这一思想，爱因斯坦成功地解释了光电效应，提出光量子论，结束了长期以来人们关于光的本质的争论。其后，丹麦物理学家玻尔将普朗克能量子假设成功地用于解释原子结构，建立了量子化的原子模型。经德国的海森堡、法国的德布罗意、奥地利的薛定谔、英国的狄拉克等著名物理学家的进一步工作，终于在20世纪20年代中叶建立起量子力学。量子力学解释了电子和一切实物粒子都像光一样，具有波粒二象性，完成了物理学第五次理论大综合，架起了物理学、数学与化学、生物学等学科沟通的桥梁。
1900年德国物理学家普朗克提出物体的辐射能是不连续的假设，把最小不可再分的能量单元称作“能量子”或“量子”，宣告量子论的诞生。
1905年爱因斯坦运用量子论建立了光量子论，解释了光电效应中出现的新现象。
1923年法国物理学家德布罗意提出物质波理论，把量子论发展到一个新高度。
1925年前后，海森堡、玻恩、狄拉克等人提出并完善了量子理论的矩阵力学。
1926年奥地利物理学家薛定谔建立了量子理论的波动力学。
1927年丹麦物理学家波尔以海森堡测不准关系为基础，提出了量子力学的“互补原理”。
量子概念的导入带来了基本概念的一系列改变：不连续的量子跃迁概念打破了连续轨迹概念，概率决定论打破了严格决定论，整体论概念打破了定域的概念。
相对论和量子力学的建立，把物理学对物理世界的认识，从宏观物体、低速运动推进到微观粒子、高速运动的领域，物理学关于物质、运动、时空、规律等观念都发生了根本性的变革。这次物理学革命不仅改变了物理学的观念，而且在整个自然科学领域引起了科学思想的深刻变革。
